Монопольдік антенна түрлері

Кіріспе

Радио антеннасының түрі

Монопольдік антенна – радио антеннасының бір класы, ол тік таяқ пішіндес өткізгіштен тұрады, көбінесе өткізгіш беттің бір түрі, жер жазықтығы деп аталады. Бергіштен келетін сигнал монопольдің төменгі жағына қолданылады немесе қабылдау антенналары үшін қабылдағышқа шығарылатын сигнал жер жазықтығынан алынады. Антеннаның бір жағы монопольдің төменгі жағына, ал екінші жағы жер жазықтығына, көбінесе Жерге жалғастырылады. Бұл дипольдік антеннадан өзгеше, ол екі бірдей таяқша өткізгіштен тұрады, сигнал антеннаның екі жартысы арасында қолданылады. Монополь көбінесе резонанстық антенна ретінде қолданылады. Таяқ радио толқындары үшін ашық резонатор ретінде жұмыс істейді және оның ұзындығы бойымен кернеу мен токтың тұрақты толқындарымен тербеліседі. Сондықтан антеннаның ұзындығы қажетті радио толқындардың толқын ұзындығына байланысты анықталады. Ең көп таралған түрі – төрттен бір толқынды монополь, онда антеннаның ұзындығы радио толқындарының толқын ұзындығының шамамен төрттен біріне тең. Бірақ, монопольдік антенналарды таратуда толқын ұзындығына тең ұзындығы да жиі қолданылады, себебі монопольде бұл ұзындық радиатор осіне перпендикуляр сәулеленген қуатты максималды деңгейге дейін арттырады, бұл тік радиатормен жердегі хабар таратудың тиімділігін жақсартады. Монопольдік антеннаны 1895 жылы радио пионері Гульельмо Маркони ойлап тапқан, сондықтан оны кейде Маркони антеннасы деп те атайды. Төрттен бір толқынды монопольдің жүктемелік кедерісі дипольдік антеннаның жартысына тең, яғни 37,5 Ом. Монопольдік антенналардың кең таралған түрлері:

қамшы
резеңке үйрек
спиральдік
кездейсоқ сым
шатыр
кері L және T антеннасы
бүктелген бірполюс және кері F
мачта радиаторы
жер жазықтығындағы антенналар

Сәулелену үлгісі

Тікпен ілінетін дипольдік антенна сияқты, монополь де барлық бағытты қамтитын сәулелену үлгісіне ие: ол антеннаға перпендикуляр барлық азимуттық бағыттарда бірдей қуатпен сәулелендіреді. Сәулеленген қуат биіктік бұрышына байланысты өзгереді, антенна осіндегі зенитте сәулелену нөлге дейін төмендейді. Ол тік поляризацияланған радиотолқындарды сәулелендіреді. Тік жарты толқынды дипольдердің ортасы жерден кемінде толық толқынның төрттен бірінің биіктігінде орналасуы керек, ал монопольдер тікелей жерге орнатылуы керек. Сондықтан монопольдердің сәулелену үлгілері жердің кедергісіне көбірек сезімтал, ал сәулелену үлгісі биіктік бойынша ерекшеленеді. Монопольді (оң жақта) тік дипольдік антеннаның (с) төменгі жартысын қалған жартысына тік бұрыштағы өткізгіш жазықтықпен (жер жазықтығы) алмастыру арқылы көруге болады. Егер жер жазықтығы жеткілікті үлкен болса, дипольдің (а) қалған жоғарғы жартысынан жер жазықтығынан шағылысқан радиотолқындар, дипольдің жоқ жартысын құрайтын көзге көрінетін антеннадан (b) келгендей болады, бұл тікелей сәулеленуге қосылып, дипольдік сәулелену үлгісін қалыптастырады. Осылайша, өте жақсы өткізгіш, шексіз жер жазықтығы бар монопольдің үлгісі дипольдің жоғарғы жартысына сәйкес келеді. Жарты толқын ұзындығына дейін антеннаның бір негізгі лобы бар, оның максималды күші антенна осіне перпендикуляр көлденең бағытта. Төрттен бір толқын ұзындығынан төмен резонанста сәулелену үлгісі ұзындығы бойынша тұрақты болады. Жоғарылағанда лоб жазықталады, көлденең бағытта көбірек қуат сәулелендіреді. Жарты толқын ұзындығынан жоғары үлгі көлденең негізгі лобқа және аспанға 60° бұрыштағы шағын конустық лобқа бөлінеді. Дегенмен, көлденең күш өсуді жалғастырады және бес сегізден бір толқын ұзындығында максималды деңгейге жетеді (бұл әдеттегі қалыңдықтағы антенна үшін жарамды жуықтау, ал шексіз жұқа монополь үшін максимум осы мәнде болады). Бұл ұзындықта максимумқа жетуіне себеп – екі лобтан келетін қарама-қарсы фазалық сәулеленудің деструктивті араласуы және жоғары бұрыштарда өшірілуі, қуатты көлденең лобқа "сығуға" мүмкіндік береді. Сәл жоғарылағанда көлденең лоб тез кішірейеді, ал биік бұрышты лоб үлкейеді, көлденең бағытта сәулеленетін қуатты азайтады, демек күшті азайтады. Осы себепті көптеген антенналар 0,625 толқыннан жоғары ұзындықты қолданбайды. Антенна ұзарған сайын үлгі көбірек лобтарға бөлінеді, олардың арасында нөлдер (сәулелену қуаты жоқ бағыттар) пайда болады. Электрлік тұрғыдан кішкентай жер жазықтықтарының, сондай-ақ жетілмеген өткізгіштікке ие жерлердің жалпы әсері – максималды сәулелену бағытын жоғары биіктік бұрыштарына қарай еңкейту және күшті азайту. Типикалық жер жүйелерімен жарты толқынды антенналардың күші шамамен 2–3 dBi құрайды.

Like a vertically suspended dipole antenna, a monopole has an omnidirectional radiation pattern: It radiates with equal power in all azimuthal directions perpendicular to the antenna. The radiated power varies with elevation angle, with the radiation dropping off to zero at the zenith on the antenna axis. It radiates vertically polarized radio waves. Since vertical halfwave dipoles must have their center raised at least a quarter wave above the ground, whereas monopoles must be mounted directly on the ground, the monopoles' radiation patterns are more greatly affected by resistance in the earth, and the radiation pattern with elevation inherently differs. A monopole can be visualized (right) as being formed by replacing the bottom half of a vertical dipole antenna (c) with a conducting plane (ground plane) at right angles to the remaining half. If the ground plane is large enough, the radio waves from the remaining upper half of the dipole (a) reflected from the ground plane will seem to come from an image antenna (b) forming the missing half of the dipole, which adds to the direct radiation to form a dipole radiation pattern. So the pattern of a monopole with a perfectly conducting, infinite ground plane is identical to the top half of a dipole pattern. Up to a length of a half wavelength the antenna has a single lobe with maximum gain in horizontal directions, perpendicular to the antenna axis. Below the quarter wavelength resonance the radiation pattern is nearly constant with length. Above the lobe flattens, radiating more power in horizontal directions. Above a half wavelength the pattern splits into a horizontal main lobe and a small second conical lobe at an angle of 60° elevation into the sky. However, the horizontal gain keeps increasing and reaches a maximum at a length of five eighths wavelength: (this is an approximation valid for a typical thickness antenna, for an infinitely thin monopole the maximum occurs at ). The maximum occurs at this length because the opposite phase radiation from the two lobes interferes destructively and cancels at high angles, "compressing" more of the power into the horizontal lobe. Slightly above the horizontal lobe rapidly gets smaller and the high angle lobe gets larger, reducing power radiated in horizontal directions, and hence reducing gain. Because of this, not many antennas use lengths above or 0.625 wave. As the antenna is made longer, the pattern divides into more lobes, with nulls (directions of zero radiated power) between them. The general effect of electrically small ground planes, as well as imperfectly conducting earth grounds, is to tilt the direction of maximum radiation up to higher elevation angles and reduce the gain. The gain of actual quarter wave antennas with typical ground systems is around 2–3 dBi.

Көбею және кіріс кедергісі

Ол тек жер бетіне немесе дипольдік антеннаның жартысына ғана сәулеленетіндіктен, мүлтіксіз өткізгіш, шексіз жерге орналасқан монопольдік антеннаның күшеюі екі есе (3 дБ артық) болады, яғни ұқсас дипольдік антеннадан екі есе күштірек, ал сәулелену кедергісі дипольдік антеннадан екі есе аз болады. Егер жарты толқынды дипольдің күшеюі 2,19 дБи және сәулелену кедергісі 73 Ом болса, онда төрттен бір толқынды монопольдің күшеюі және сәулелену кедергісі шамамен 36,5 Ом құрайды. Осы жиіліктерде мачталарға немесе конструкцияларға орнатылатын монопольдік антенналардың кең таралған түрі – төрттен бір толқынды қамшы антенна, оның жер жазықтығы 3 немесе 4 сымнан немесе төрттен бір толқынды ұзындығы бар таяқшалардан тұрады, олар негізінен асқын желісінің жерлік жағына қосылып, көлденең немесе диагональды түрде сәулеленеді; мұндай антенна жер жазықтығы антеннасы деп аталады. Гигагерц жиіліктерінде автомобильдің шатыры немесе ұшақ корпусының металл беті жақсы жер жазықтығын қамтамасыз етеді, сондықтан автомобильдегі ұялы телефон антенналары шатырға орнатылған қысқа қамшылардан тұрады.

Қолда ұсталатын радиостанцияларда, мысалы, уоки-токилерде және портативті FM радиоларда қолданылатын төрттен бір толқынды қамшы және резеңке антенналар да монопольдік антенналар болып табылады. Мұндай портативті құрылғыларда антеннаның тиімді жер жазықтығы болмайды, транслятордың жерлік жағы тек оның схемалық тақтасындағы жерлік қосылысына жалғанады. Схемалық тақтаның жері көбінесе антеннадан кішкентай болғандықтан, антенна мен жердің үйлесімі монопольге қарағанда асимметриялық дипольдік антенна ретінде жұмыс істей алады. Оларды ұстап тұрған адамның қолы мен денесі қарапайым жер жазықтығы ретінде жұмыс істей алады. Сымсыз құрылғылар мен ұялы телефондар инверттік F антеннасы деп аталатын монопольдік антеннаның түрін пайдаланады. Монопольдік элемент схемалық тақтадағы жерлік аумаққа параллель иілген, сондықтан оны құрылғының корпусына орналастыруға болады; әдетте антенна баспалы схемалық тақтадағы мыс фольгадан жасалады. Бұл геометрия, егер антенна негізінен қуаттандырылса, өте төмен кедергіні қамтамасыз етеді. Қуаттандыру схемасымен кедергінің сәйкестігін жақсарту үшін (әдетте 50 Ом кедергі) антеннаға шунттық қоректендіру қолданылады, қуат желісі элемент бойымен орталық нүктеге қосылады, ал элементтің ұшы жерге жалғанады.